JP7323714B2 - 燃料電池用混合触媒の製造方法、及び電極形成方法 - Google Patents
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Description
水素ガスのような燃料がアノードに供給されれば、アノードでは水素の酸化反応によって水素イオン(H+)と電子(e-)とが生成される。生成された水素イオンは高分子電解質膜を介してカソードに伝達され、生成された電子は外部回路を介してカソードに伝達される。カソードに供給される酸素が前記水素イオン及び前記電子と結合して還元することにより水が生成される。
燃料電池が適用される技術分野別にまたは最終製品別に多様な要求事項を満たすことができる燃料電池及び/または膜電極アセンブリーを効果的に製造するためには、前記要求事項を満たすのに適した物理的特性(例えば、BET表面積、マイクロ細孔表面積、外表面積、全細孔容積、マイクロ細孔容積、メソ細孔容積などのような物質的特性)を有する触媒が電極製造に使われなければならない。
本発明の一観点は、所望の性能及び耐久性を有する電極及び膜電極アセンブリーの製造に適した所定範囲内の物理的特性を均一に有する混合触媒を提供することである。
本発明の他の観点は、所望の性能及び耐久性を有する電極及び膜電極アセンブリーの製造に適した所定範囲内の物理的特性を均一に有する混合触媒を製造する方法を提供することである。
本発明のさらに他の観点は、所定範囲内の物理的特性を均一に有する混合触媒を用いて所望の性能及び耐久性を有する電極を形成する方法を提供することである。
本発明のさらに他の観点は、所定範囲内の物理的特性を均一に有する混合触媒を含むことにより所望の性能及び耐久性を有する膜電極アセンブリーを提供することである。
以上で言及した本発明の観点の他にも、本発明の他の特徴及び利点が以下で説明され、そのような説明から本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に明確に理解可能であろう。
SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2≦SBET_HC≦(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・1.25
[式2]
(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・0.75≦SMICRO_HC≦SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2
[式3]
SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2≦SEX_HC≦(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・1.25
[式4]
VT_C1・RC1+VT_C2・RC2≦VT_HC≦(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・1.15
[式5]
(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・0.85≦VMICRO_HC≦VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2
[式6]
VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2≦VMESO_HC≦(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・1.15
[式7]
(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・0.75≦SBET_HC≦(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・1.25
[式8]
(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・0.75≦SMICRO_HC≦(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・1.25
[式9]
(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・0.75≦SEX_HC≦(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・1.25
[式10]
(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・0.85≦VT_HC≦(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・1.15
[式11]
(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・0.85≦VMICRO_HC≦(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・1.15
[式12]
(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・0.85≦VMESO_HC≦(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・1.15
SBET_HCは前記混合触媒のBET表面積であり、
SBET_C1は前記第1BET表面積であり、
SBET_C2は前記第2BET表面積であり、
RC1は前記混合触媒の重量に対する前記第1触媒の重量の比であり、
RC2は前記混合触媒の重量に対する前記第2触媒の重量の比(すなわち、RC2=1-RC1)であり、
SMICRO_HCは前記混合触媒のマイクロ細孔表面積であり、
SMICRO_C1は前記第1触媒のマイクロ細孔表面積であり、
SMICRO_C2は前記第2触媒のマイクロ細孔表面積であり、
SEX_HCは前記混合触媒の外表面積であり、
SEX_C1は前記第1触媒の外表面積であり、
SEX_C2は前記第2触媒の外表面積であり、
VT_HCは前記混合触媒の全細孔容積であり、
VT_C1は前記第1全細孔容積であり、
VT_C2は前記第2全細孔容積であり、
VMICRO_HCは前記混合触媒のマイクロ細孔容積であり、
VMICRO_C1は前記第1触媒のマイクロ細孔容積であり、
VMICRO_C2は前記第2触媒のマイクロ細孔容積であり、
VMESO_HCは前記混合触媒のメソ細孔容積であり、
VMESO_C1は前記第1触媒のメソ細孔容積であり、
VMESO_C2は前記第2触媒のメソ細孔容積である。
前記第1及び第2担体は、球形(sphere shape)、多面形(polyhedral shape)、線形(linear shape)、チューブ形(tubular shape)、及び平面形(planar shape)からなる群から選択されるいずれか一形態を有することができ、前記第1担体の形態は前記第2担体の形態と同一であることができる。
前記第1及び第2触媒金属粒子のそれぞれは白金または白金系合金を含むことができる。
前記第1及び第2触媒金属粒子は同じ物質であってもよい。
SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2≦TSBET_HC≦(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・1.25
[式14]
(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・0.75≦TSMICRO_HC≦SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2
[式15]
SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2≦TSEX_HC≦(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・1.25
[式16]
VT_C1・RC1+VT_C2・RC2≦TVT_HC≦(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・1.15
[式17]
(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・0.85≦TVMICRO_HC≦VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2
[式18]
VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2≦TVMESO_HC≦(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・1.15
[式19]
(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・0.75≦TSBET_HC≦(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・1.25
[式20]
(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・0.75≦TSMICRO_HC≦(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・1.25
[式21]
(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・0.75≦TSEX_HC≦(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・1.25
[式22]
(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・0.85≦TVT_HC≦(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・1.15
[式23]
(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・0.85≦TVMICRO_HC≦(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・1.15
[式24]
(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・0.85≦TVMESO_HC≦(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・1.15
SBET_C1は前記第1BET表面積であり、
SBET_C2は前記第2BET表面積であり、
RC1は前記混合触媒の重量に対する前記第1触媒の重量の比であり、
RC2は前記混合触媒の重量に対する前記第2触媒の重量の比(すなわち、RC2=1-RC1)であり、
TSMICRO_HCは前記目標マイクロ細孔表面積であり、
SMICRO_C1は前記第1触媒のマイクロ細孔表面積であり、
SMICRO_C2は前記第2触媒のマイクロ細孔表面積であり、
TSEX_HCは前記目標外表面積であり、
SEX_C1は前記第1触媒の外表面積であり、
SEX_C2は前記第2触媒の外表面積であり、
TVT_HCは前記目標全細孔容積であり、
VT_C1は前記第1全細孔容積であり、
VT_C2は前記第2全細孔容積であり、
TVMICRO_HCは前記目標マイクロ細孔容積であり、
VMICRO_C1は前記第1触媒のマイクロ細孔容積であり、
VMICRO_C2は前記第2触媒のマイクロ細孔容積であり、
TVMESO_HCは前記目標メソ細孔容積であり、
VMESO_C1は前記第1触媒のメソ細孔容積であり、
VMESO_C2は前記第2触媒のメソ細孔容積である。
前記第4段階で得られる混合物は固相(solid phase)であることができる。
前記第1及び第2担体は、球形、多面形、線形、チューブ形、及び平面形からなる群から選択されるいずれか一形態を有することができ、前記第1担体の形態は前記第2担体の形態と同一であることができる。
前記第1及び第2触媒金属粒子のそれぞれは白金または白金系合金を含むことができる。
前記第1及び第2触媒金属粒子は同じ物質であってもよい。
前記基材は離型フィルムであることができ、前記電極形成方法は、前記乾燥段階で前記離型フィルム上に形成された電極を前記高分子電解質膜上に転写(transfer)する段階と、前記離型フィルムを除去する段階と、をさらに含むことができる。
前記基材は前記高分子電解質膜であることができる。
本発明のさらに他の観点によれば、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間の高分子電解質膜と、を含み、前記アノード及び前記カソードの少なくとも一つ前記混合触媒を含む膜電極アセンブリーが提供される。
このような本発明についての一般的敍述は本発明を例示するか説明するためのものであるだけで、本発明の権利範囲を制限しない。
具体的に、本発明によれば、商業的に販売される2種以上の触媒を別途の前処理なしに均質に混合することにより、その結果として生成される混合触媒全体が所定範囲内の物理的特性を均一に有することができ、その結果、所望の性能及び耐久性を有する電極及び膜電極アセンブリーを繰り返して再現することができる。
また、商業的に販売される2種以上の固体状態の触媒を別途の処理なしに混合するので、前記第1及び第2触媒自体の変化や損失を最小化することができる。
また、目標物理的特性によってソース触媒の種類及びその混合比が決定されるので(すなわち、本発明によって製造される混合触媒の物理的特性が予測可能であるので)、状況及び要求に合う多様な電極設計が可能である。
本発明の燃料電池用混合触媒は、基本的に商業的に入手可能な第1及び第2触媒を含む。
前記第1触媒は、第1担体及び前記第1担体上に分布されている第1触媒金属粒子を含み、前記第2触媒は、第2担体及び前記第2担体上に分布されている第2触媒金属粒子を含む。
前記第1及び第2担体の形態が同一または類似であれば、同じバッチ(batch)で生産される混合触媒内での物理的特性の均一性はもちろんのこと、相異なるバッチで生産される混合触媒間の物理的特性の均一性もより向上することができるが、本発明がこれに限定されるものではない。
前記第1及び第2触媒金属粒子のそれぞれは、互いに独立的に、白金または白金系合金を含むことができる。
オプションで(optionally)、前記第1及び第2触媒金属粒子は同じ物質であることができる。
相異なる第1及び2触媒の混合物である本発明の混合触媒の物理的特性は前記第1触媒の物理的特性と異なるだけでなく、前記第2触媒の物理的特性とも異なる。よって、本発明の混合触媒は商業的に入手可能な単一触媒のみでは具現できない性能及び耐久性の電極及びそれを含む膜電極アセンブリーの製造ができるようにする。
商業的に入手可能な触媒は、大別して2種タイプに分類することができる。第1タイプの触媒は150m2/g以上のBET表面積及び0.50cm3/g以上の全細孔容積を有する触媒であり、第2タイプの触媒は150m2/g未満のBET表面積及び0.50cm3/g未満の全細孔容積を有する触媒である。
前記第2タイプの触媒は、BET表面積が小さく細孔容積が小さい、アセチレンブラック及び高耐久炭素などのようなソリッド(solid)形態の担体に担持された触媒であることができる。
本発明によれば、前記第1及び第2触媒が同じタイプの触媒の場合(すなわち、前記第1及び第2触媒が共に第1タイプの触媒であるか、前記第1及び第2触媒が共に第2タイプの触媒である場合)、前記混合触媒から取られるどのサンプルも下記の式1~式6を満たすように前記第1及び第2触媒が混合されている。
SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2≦SBET_HC≦(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・1.25
[式2]
(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・0.75≦SMICRO_HC≦SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2
[式3]
SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2≦SEX_HC≦(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・1.25
[式4]
VT_C1・RC1+VT_C2・RC2≦VT_HC≦(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・1.15
[式5]
(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・0.85≦VMICRO_HC≦VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2
[式6]
VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2≦VMESO_HC≦(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・1.15
SBET_HCは前記混合触媒のBET表面積であり、
SBET_C1は前記第1BET表面積であり、
SBET_C2は前記第2BET表面積であり、
RC1は前記混合触媒の重量に対する前記第1触媒の重量の比であり、
RC2は前記混合触媒の重量に対する前記第2触媒の重量の比(すなわち、RC2=1-RC1)であり、
SMICRO_HCは前記混合触媒のマイクロ細孔表面積であり、
SMICRO_C1は前記第1触媒のマイクロ細孔表面積であり、
SMICRO_C2は前記第2触媒のマイクロ細孔表面積であり、
SEX_HCは前記混合触媒の外表面積であり、
SEX_C1は前記第1触媒の外表面積であり、
SEX_C2は前記第2触媒の外表面積であり、
VT_HCは前記混合触媒の全細孔容積であり、
VT_C1は前記第1全細孔容積であり、
VT_C2は前記第2全細孔容積であり、
VMICRO_HCは前記混合触媒のマイクロ細孔容積であり、
VMICRO_C1は前記第1触媒のマイクロ細孔容積であり、
VMICRO_C2は前記第2触媒のマイクロ細孔容積であり、
VMESO_HCは前記混合触媒のメソ細孔容積であり、
VMESO_C1は前記第1触媒のメソ細孔容積であり、
VMESO_C2は前記第2触媒のメソ細孔容積である。
[式7]
(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・0.75≦SBET_HC≦(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・1.25
[式8]
(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・0.75≦SMICRO_HC≦(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・1.25
[式9]
(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・0.75≦SEX_HC≦(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・1.25
[式10]
(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・0.85≦VT_HC≦(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・1.15
[式11]
(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・0.85≦VMICRO_HC≦(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・1.15
[式12]
(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・0.85≦VMESO_HC≦(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・1.15
商業的に販売される2種以上の触媒を別途の前処理なしに均質に混合することにより製造される固相(solid phase)の本発明の混合触媒は、それから取られる5個以上のサンプルのそれぞれに対して、BET表面積(SBET_HC)、マイクロ細孔表面積(SMICRO_HC)、外表面積(SEX_HC)、全細孔容積(VT_HC)、マイクロ細孔容積(VMICRO_HC)、及びメソ細孔容積(VMESO_HC)からなる群から選択されるどの物性を測定しても前記物性の標準偏差が前記物性の算術平均の5%以下の程度に均一な物理的特性を有するので、所望の性能及び耐久性を有する電極及び膜電極アセンブリーを繰り返して再現することができるようにする。
前述したように、燃料電池が適用される技術分野別または最終製品別に多様な要求事項を満たすことができる燃料電池及び/または膜電極アセンブリーを製造するためには、前記要求事項を満たすのに適した物理的特性(すなわち、BET表面積、マイクロ細孔表面積、外表面積、全細孔容積、マイクロ細孔容積、メソ細孔容積などのような物質的特性)を有する触媒を電極製造に使わなければならない。
特定の要求事項を満たすために必要な目標物理的特性(すなわち、目標BET表面積、目標マイクロ細孔表面積、目標外表面積、目標全細孔容積、目標マイクロ細孔容積、及び目標メソ細孔容積)を有する触媒が商業的に入手できれば、それを購買して電極及び膜電極アセンブリーの製造に使うことができる。しかし、多くの場合に、商業的に入手可能な触媒の物理的特性が前記目標物理的特性とマッチしないという問題がある。
目標BET表面積、目標マイクロ細孔表面積、目標外表面積、目標全細孔容積、目標マイクロ細孔容積、及び目標メソ細孔容積を有する燃料電池用混合触媒を製造するための本発明の方法は、(i)第1触媒を決定する第1段階、(ii)第2触媒を決定する第2段階、(iii)前記第1及び第2触媒の混合比を決定する第3段階、及び(iv)前記第1及び第2触媒を前記混合比で混合する第4段階を含む。
前記第1及び第2触媒は商業的に入手可能な触媒であり、前記第1触媒は第1担体及び前記第1担体上に分布されている第1触媒金属粒子を含み、前記第2触媒は第2担体及び前記第2担体上に分布されている第2触媒金属粒子を含む。
前記第1及び第2担体と前記第1及び第2触媒金属粒子は前述したので、これらについての反復説明は省略する。
前記第1及び第2触媒はBET表面積及び全細孔容積の面で相異なる。すなわち、前記第1触媒は第1BET表面積及び第1全細孔容積を有し、前記第2触媒は前記第1BET表面積と異なる第2BET表面積及び前記第1全細孔容積と異なる第2全細孔容積を有する。
前述したように、商業的に入手可能な前記第1及び第2触媒のそれぞれは、互いに独立的に、(i)150m2/g以上のBET表面積及び0.50cm3/g以上の全細孔容積を有する第1タイプの触媒、または(ii)150m2/g未満のBET表面積及び0.50cm3/g未満の全細孔容積を有する触媒である。
[式13]
SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2≦TSBET_HC≦(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・1.25
[式14]
(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・0.75≦TSMICRO_HC≦SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2
[式15]
SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2≦TSEX_HC≦(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・1.25
[式16]
VT_C1・RC1+VT_C2・RC2≦TVT_HC≦(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・1.15
[式17]
(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・0.85≦TVMICRO_HC≦VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2
[式18]
VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2≦TVMESO_HC≦(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・1.15
TSBET_HCは前記目標BET表面積であり、
SBET_C1は前記第1BET表面積であり、
SBET_C2は前記第2BET表面積であり、
RC1は前記混合触媒の重量に対する前記第1触媒の重量の比であり、
RC2は前記混合触媒の重量に対する前記第2触媒の重量の比(すなわち、RC2=1-RC1)であり、
TSMICRO_HCは前記目標マイクロ細孔表面積であり、
SMICRO_C1は前記第1触媒のマイクロ細孔表面積であり、
SMICRO_C2は前記第2触媒のマイクロ細孔表面積であり、
TSEX_HCは前記目標外表面積であり、
SEX_C1は前記第1触媒の外表面積であり、
SEX_C2は前記第2触媒の外表面積であり、
TVT_HCは前記目標全細孔容積であり、
VT_C1は前記第1全細孔容積であり、
VT_C2は前記第2全細孔容積であり、
TVMICRO_HCは前記目標マイクロ細孔容積であり、
VMICRO_C1は前記第1触媒のマイクロ細孔容積であり、
VMICRO_C2は前記第2触媒のマイクロ細孔容積であり、
TVMESO_HCは前記目標メソ細孔容積であり、
VMESO_C1は前記第1触媒のメソ細孔容積であり、
VMESO_C2は前記第2触媒のメソ細孔容積である。
[式19]
(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・0.75≦TSBET_HC≦(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・1.25
[式20]
(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・0.75≦TSMICRO_HC≦(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・1.25
[式21]
(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・0.75≦TSEX_HC≦(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・1.25
[式22]
(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・0.85≦TVT_HC≦(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・1.15
[式23]
(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・0.85≦TVMICRO_HC≦(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・1.15
[式24]
(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・0.85≦TVMESO_HC≦(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・1.15
本発明の方法によって製造される混合触媒(すなわち、前記第4段階で得られる混合物)は固相(solid phase)の触媒であり、商業的に入手可能な固相の前記第1及び第2触媒を別途の処理なしに前記混合比で混合することのみでよいので、前記第1及び第2触媒自体の変化や損失を最小化しながら前記混合触媒の物理的特性を目標物理的特性に応じて適切に、正確に、手軽く、かつ経済的に制御することができる。
本発明によれば、前記第1及び第2触媒を前記混合比によって混合する第4段階は共振音響混合器(resonant acoustic mixer)を用いて遂行する。
本発明の一実施例によれば、前記第4段階は55~65Hzの周波数及び30~90Gの加速度で1~20分間遂行することができる。
本発明の共振音響混合が行われる混合容器の高さは底面の長さ(‘直径’または‘任意の2点間の最大距離’)の1~3倍であることができる。前記長さが前記高さの1倍未満であれば前記第1及び第2触媒が全体的に均一に混合されることができなく、前記長さが前記高さの3倍を超えれば混合中に容器の破損及び/または離脱が引き起こされることができる。
これに対し、本発明によれば、商業的に販売される2種以上の触媒を前記共振音響混合器で均質に混合することにより、単一バッチで得られる混合触媒全体が均一な物理的特性を有することができるだけでなく、相異なるバッチでそれぞれ生産される混合触媒間の物理的特性の均一性も向上することができる。
また、本発明の共振音響混合は前記第1及び第2触媒の物理的損傷を引き起こさないので、前記第1及び第2触媒の共振音響混合によって得られる本発明の混合触媒は向上した耐久性を示すことができる。
結果的に、本発明の方法によれば、目標物理的特性を均一に有する混合触媒を繰り返して再現することができ、その結果、このような混合触媒を用いて所望の性能及び耐久性を有する電極及び膜電極アセンブリーを繰り返して再現することができる。
まず、本発明によって製造された前記混合触媒をアイオノマーとともに分散媒に分散させて電極スラリーを準備する。
本発明の混合触媒とともに分散媒に分散されるアイオノマーは水素イオン伝達のためのものであり、電極と高分子電解質膜との間の接着力向上のためのバインダーとしての機能も果たす。前記アイオノマーは、フッ素系アイオノマーまたは炭化水素系アイオノマーであることができ、スルホン酸基、カルボキシル基、ボロン酸基、リン酸基、イミド基、スルホンイミド基、スルホンアミド基、及びスルホン酸フルオライド基からなる群から選択される1種以上のイオン伝導性基を有することができる。
例えば、前記アイオノマーは、ポリ(ペルフルオロスルホン酸)、ポリ(ペルフルオロカルボン酸)などのようなフッ素系アイオノマーであることができる。
前記分散媒は、水、親水性溶媒、有機溶媒、またはこれらの中で2種以上の混合物であることができる。
前記有機溶媒は、N-メチルピロリドン(NMP)、ジメチルスルホキシド(DMSO)、テトラヒドロフラン(THF)、ジメチルアセトアミド(DMAc)またはこれらの中で2種以上の混合物であることができるが、これらに制限されない。
次いで、前記電極スラリーを基材(substrate)上にコーティングし、前記コーティングされた電極スラリーを乾燥させる。
本発明の一実施例によれば、前記電極は、デカール転写法(decal transfer method)によって高分子電解質膜上に形成することができる。
具体的に、マスクフィルムを用いて前記離型フィルム上に前記電極スラリーを所定の形態及び大きさにコーティングした後、後続の乾燥工程によって前記電極スラリーから前記分散媒を除去する。次いで、前記乾燥工程で形成された電極が高分子電解質膜に接触するように前記離型フィルムと前記電極を前記高分子電解質膜上に積層した後、加熱プレス(hot pressing)工程を遂行することにより、前記電極を前記高分子電解質膜上に転写し、次いで前記離型フィルムを除去する。
デカール転写法を用いて膜電極アセンブリーを製造する場合、アノードとカソードのそれぞれを前記のような方法で離型フィルム上にそれぞれ形成した後、高分子電解質膜の一面及び他面に前記アノードと前記カソードを同時に転写することが一般的である。
本発明の他の実施例によれば、前記電極は直接コーティング法(direct coating method)で高分子電解質膜上に形成することができる。
直接コーティング法によれば、前記電極スラリーがコーティングされる前記基材は高分子電解質膜である。例えば、マスクフィルムを用いて前記高分子電解質膜上に前記電極スラリーを所定の形態及び大きさにコーティングした後、前記電極スラリーから前記分散媒を除去するための乾燥工程を遂行する。次いで、前記乾燥工程によって電極が一旦形成されれば、前記マスクフィルムを除去する。
上述したように、前記電極スラリーを用いてデカール転写法または直接コーティング法によって高分子電解質膜の一面及び他面にアノード及びカソードをそれぞれ形成することにより、本発明の膜電極アセンブリー(MEA)を製造することができる。
例えば、本発明の膜電極アセンブリー(MEA)は、アノード、カソード、及びこれらの間の高分子電解質膜を含み、前記アノードはそれに要求される性能及び耐久性を満たすことができる目標物理的特性を有する本発明の第1混合触媒を含み、前記カソードはそれに要求される性能及び耐久性を満たすことができる目標物理的特性を有する本発明の第2混合触媒を含むことができる。
代案として、前記アノード及び前記カソードの中でいずれか一方のみが本発明によって製造される混合触媒を含み、他方は商業的に入手可能な触媒を含むこともできる。
以下、具体的な実施例に基づいて本発明を具体的に説明する。ただ、下記の実施例は本発明の理解を助けるためのものであるだけで、これによって本発明の権利範囲が制限されてはいけない。
それぞれ商業的に入手可能なAタイプの触媒(SBET=294m2/g、SMICRO=40m2/g、SEX=254m2/g、VT=0.81cm3/g、VMICRO=0.02cm3/g、VMESO=0.79cm3/g)(以下、“A1触媒”)とBタイプの触媒(SBET=73m2/g、SMICRO=1m2/g、SEX=72m2/g、VT=0.35cm3/g、VMICRO=0cm3/g、VMESO=0.35cm3/g)(以下、“B1触媒”)をそれぞれ準備した。ここで、Aタイプの触媒は150m2/g以上のBET比表面積及び0.50cm3/g以上の全細孔容積を有する触媒をいい、Bタイプの触媒は150m2/g未満のBET比表面積及び0.50cm3/g未満の全細孔容積を有する触媒をいう。
次いで、前記A1触媒5gと前記B1触媒5gを混合容器に入れ(すなわち、混合比=1:1)、この混合容器を共振音響混合器に装着した。そして、60Hzの周波数及び70Gの加速度の下で8分間共振音響混合を遂行することによって混合触媒を得た。
実施例1b
他のバッチ(batch)で前記実施例1aと同様な方法で混合触媒を得た。
実施例1c
前記A1触媒と前記B1触媒の混合比(A1:B1)が3:7であったことを除き、前記実施例1aと同様な方法で混合触媒を得た。
実施例2(Aタイプの触媒同士の共振音響混合)
前記B1触媒の代わりに、さらに他のAタイプの触媒(SBET=305m2/g、SMICRO=52m2/g、SEX=253m2/g、VT=0.63cm3/g、VMICRO=0.02cm3/g、VMESO=0.61cm3/g)(以下、“A2触媒”)を使ったことを除き、前記実施例1aと同様な方法で混合触媒を得た。
実施例3(Bタイプの触媒同士の共振音響混合)
前記A1触媒の代わりに、さらに他のBタイプの触媒(SBET=64m2/g、SMICRO=10m2/g、SEX=52m2/g、VT=0.32cm3/g、VMICRO=0.01cm3/g、VMESO=0.31cm3/g)(以下、“B2触媒”)を使ったことを除き、前記実施例1aと同様な方法で混合触媒を得た。
前記A1触媒及び前記B1触媒が入れられた混合容器をボルテックス混合器に装着した後、15分間ボルテックス混合を遂行したことを除き、前記実施例1aと同様な方法で混合触媒を得た。
比較例1b
他のバッチ(batch)で前記比較例1aと同様な方法で混合触媒を得た。
比較例1c
前記A1触媒と前記B1触媒の混合比(A1:B1)が3:7であったことを除き、前記比較例1aと同様な方法で混合触媒を得た。
比較例2a(相異なるタイプの触媒のボールミル混合)
前記A1触媒及び前記B1触媒が入れられた混合容器にビードを入れ、この混合容器をボールミル混合器に装着した後、10分間ボールミル混合を遂行したことを除き、前記実施例1aと同様な方法で混合触媒を得た。
比較例2b
他のバッチ(batch)で前記比較例2aと同様な方法で混合触媒を得た。
比較例2c
前記A1触媒と前記B1触媒の混合比(A1:B1)が3:7であったことを除き、前記比較例2aと同様な方法で混合触媒を得た。
比較例3(Aタイプの触媒同士のボルテックス混合)
前記A1触媒及び前記A2触媒が入れられた混合容器をボルテックス混合器に装着した後、15分間ボルテックス混合を遂行したことを除き、前記実施例2と同様な方法で混合触媒を得た。
比較例4(Aタイプの触媒同士のボールミル混合)
前記A1触媒及び前記A2触媒が入れられた混合容器にビードを入れ、この混合容器をボールミル混合器に装着した後、10分間ボールミル混合を遂行したことを除き、前記実施例2と同様な方法で混合触媒を得た。
比較例5(Bタイプの触媒同士のボルテックス混合)
前記B1触媒及び前記B2触媒が入れられた混合容器をボルテックス混合器に装着した後、15分間ボルテックス混合を遂行したことを除き、前記実施例3と同様な方法で混合触媒を得た。
比較例6(Bタイプの触媒同士のボールミル混合)
前記B1触媒及び前記B2触媒が入れられた混合容器にビードを入れ、この混合容器をボールミル混合器に装着した後、10分間ボールミル混合を遂行したことを除き、前記実施例3と同様な方法で混合触媒を得た。
BET分析器(Micromeritics、ASAP-2020)を用いて実施例1a、比較例1a、比較例2a、実施例2、及び実施例3の混合触媒のBET等温曲線をそれぞれ得、これを図1~図5に示した。
A1触媒、B1触媒、及び実施例1aの混合触媒のBET等温曲線を示す図1から、A1触媒とB1触媒を1:1の重量混合比で共振音響混合することによって得られた実施例1aの混合触媒はそのBET等温曲線がA1触媒のBET等温曲線とB1触媒のBET等温曲線とのほぼ中間に位置するように物理的特性が制御されたことが分かる。
一方、A1触媒、B1触媒、及び比較例1aの混合触媒のBET等温曲線を示す図2から、A1触媒とB1触媒を1:1の重量混合比でボルテックス(vortex)混合することによって得られた比較例1aの混合触媒にはA1触媒とB1触媒の物理的特性が混在していることを確認することができる。
A1触媒、A2触媒、及び実施例2の混合触媒のBET等温曲線を示す図4及びB1触媒、B2触媒、及び実施例3の混合触媒のBET等温曲線を示す図5から、同じタイプの触媒を1:1の重量混合比で共振音響混合することによって得られる混合触媒のそれぞれはそのソース触媒と有意な差なしに類似した形態のBET等温曲線を示すことを確認することができる。
実施例1a、2及び3の混合触媒のXRD分析結果を図6~図8にそれぞれ示した。
A1触媒、B1触媒、及び実施例1aの混合触媒のXRDパターンを示すグラフである図6から分かるように、実施例1aの混合触媒のXRDピーク強度は、前記BET等温曲線結果と同様に、A1触媒のピーク強度とB1触媒のピーク強度との間の中間程度の値を有することがわかる。
一方、A1触媒、A2触媒、及び実施例2の混合触媒のXRDパターンを示すグラフである図7及びB1触媒、B2触媒、及び実施例3の混合触媒のXRDパターンを示すグラフである図8から、同じタイプの触媒を1:1の重量混合比で共振音響混合することによって得られる混合触媒のそれぞれはそのソース触媒と有意な差なしに類似した形態のXRDピーク強度を示すことを確認することができる。Bタイプの触媒(すなわち、B1触媒及びB2触媒)同士共振音響混合させることによって得られた実施例3の混合触媒のXRDパターンで少しの炭素結晶性低下を示すはするが、大きな差があるものではない。
[物理的特性(SBET、SMICRO、SEX、VT、VMICRO、VMESO)の測定]
BET分析器(Micromeritics、ASAP-2020)を用いて実施例及び比較例の混合触媒の物理的特性(SBET、SMICRO、SEX、VT、VMICRO、VMESO)をそれぞれ測定した。具体的に、混合触媒から無作為に5個のサンプルを取って前記物理的特性をそれぞれ測定し、それぞれの物理的特性別にその測定値の平均(算術平均)(Avg.)及び標準偏差(SD)を計算した。
以下の表1は相異なるタイプの触媒(すなわち、A1触媒とB1触媒)を1:1の混合比で混合して得られた実施例1a、比較例1a、及び比較例2aの混合触媒の物理的特性を示す。
また、実施例1aの混合触媒の細孔容積特性(すなわち、VT、VMICRO、及びVMESO)のそれぞれは“(V_A1・RA1+V_B1・RB1)・0.85~(V_A1・RA1+V_B2・RB2)・1.15”の範囲内に制御されることを確認することができる(ここで、V_A1はA1触媒の該当細孔容積特性であり、S_B1はB1触媒の該当細孔容積特性である)。
以下の表2は相異なるタイプの触媒(すなわち、A1触媒とB1触媒)を1:1の混合比で混合して得られた実施例1a、比較例1a、及び比較例2aの混合触媒、及びこれらと異なるバッチ(batch)でこれらとそれぞれ同じ方式で製造された実施例1b、比較例1b、及び比較例2bの混合触媒の物理的特性のそれぞれの平均(Avg.)及び標準偏差(SD)を示す。
すなわち、同じバッチで生産される混合触媒の物質的特性の均一性はもちろんのこと、相異なるバッチでそれぞれ生産される混合触媒の物理的特性の均一性も非常に優れることが確認された。結果的に、本発明によれば、目標物理的特性を均一に有する混合触媒を繰り返して再現することができる。
一方、本発明の共振音響混合の代わりに、ボルテックス混合またはボールミル混合によってそれぞれ製造された比較例1a、1b、2a、及び2bの混合触媒は、その物理的特性(SBET、SMICRO、SEX、VT、VMICRO、VMESO)の少なくとも一部は標準偏差がその平均の5%を超えることが現れた。また、相異なるバッチで同じ方法でそれぞれ製造された混合触媒の間(すなわち、比較例1aと1bとの間及び比較例2aと2bとの間)で相当な物理的特性差が現れた。すなわち、前記比較例の製造方法によってはソース触媒(すなわち、A1触媒及びB1触媒)が均質に混合されないので、均一な物理的特性を有する混合触媒を繰り返して再現することができないことを確認することができる。
一方、同じタイプの触媒(すなわち、A1触媒とA2触媒、またはB1触媒とB2触媒)をボルテックス混合またはボールミル混合することによって得られた比較例3~6の混合触媒の場合には、物理的特性が本発明で制御しようとする範囲を部分的にまたは全体的に外れた。
以下の表5は相異なるタイプの触媒(すなわち、A1触媒とB1触媒)を3:7の混合比で混合して得られた実施例1c、比較例1c、及び比較例2cの混合触媒の物理的特性を示す。
一定した傾向なしにランダムな物理的特性を示す比較例の混合触媒から、本発明の共振音響混合とは違い、ボルテックス混合及びボールミル混合は生産される混合触媒の物性をほとんど調節することができないことが分かる(すなわち、ボルテックス混合またはボールミル混合によって生産される混合触媒は物理的特性が予測できない)。
実施例1a、比較例1a、及び比較例2aの混合触媒のそれぞれに対して次のような方法でこれらの耐久性を評価した。
混合触媒1gを水で濡らした後、イソプロピルアルコールと水が7:3の容積比で混合した混合溶媒に分散させて得られた溶液を10%のアイオノマー溶液40gと混合した。次いで、均質混合器を用いた分散工程を遂行することによって電極スラリーを得た。次いで、前記電極スラリーを用いて通常の方法で膜電極アセンブリーを製造した。前記膜電極アセンブリーに対して1.0Vと1.5Vとの間で500回のtriangle sweep cycles(温度:80℃、相対湿度(アノード/カソード):100%/100%、スキャン速度:500mV/s)を実施した後、1.5A/cm2で電圧損失(voltage loss)を測定し、その結果を以下の表6に示した。
Claims (8)
- 目標BET表面積、目標マイクロ細孔表面積、目標外表面積、目標全細孔容積、目標マイクロ細孔容積、及び目標メソ細孔容積を有する燃料電池用混合触媒を製造するための方法であって、
第1担体及び前記第1担体上に分布されている第1触媒金属粒子を含み、第1BET表面積及び第1全細孔容積を有する第1触媒を決定する第1段階と、
第2担体及び前記第2担体上に分布されている第2触媒金属粒子を含み、前記第1BET表面積と異なる第2BET表面積及び前記第1全細孔容積と異なる第2全細孔容積を有する第2触媒を決定する第2段階と、
前記第1及び第2触媒の混合比を決定する第3段階と、
共振音響混合器(resonant acoustic mixer)を用いて前記第1及び第2触媒を前記混合比で混合する第4段階と、
を含み、
前記第1及び第2触媒のそれぞれは、互いに独立的に、(i)150m2/g以上のBET表面積及び0.50cm3/g以上の全細孔容積を有する第1タイプの触媒、または(ii)150m2/g未満のBET表面積及び0.50cm3/g未満の全細孔容積を有する第2タイプの触媒であり、
前記第1、第2、及び第3段階は、(a)前記第1及び第2触媒が同じタイプの触媒の場合、下記の式13~式18を満たすことができるように遂行し、(b)前記第1及び第2触媒が相異なるタイプの触媒の場合、下記の式19~式24を満たすことができるように遂行し、
前記第4段階は55~65Hzの周波数及び30~90Gの加速度で1~20分間遂行する、
ことを特徴とする、混合触媒の製造方法。
[式13]
SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2≦TSBET_HC≦(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・1.25
[式14]
(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・0.75≦TSMICRO_HC≦SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2
[式15]
SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2≦TSEX_HC≦(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・1.25
[式16]
VT_C1・RC1+VT_C2・RC2≦TVT_HC≦(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・1.15
[式17]
(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・0.85≦TVMICRO_HC≦VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2
[式18]
VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2≦TVMESO_HC≦(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・1.15
[式19]
(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・0.75≦TSBET_HC≦(SBET_C1・RC1+SBET_C2・RC2)・1.25
[式20]
(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・0.75≦TSMICRO_HC≦(SMICRO_C1・RC1+SMICRO_C2・RC2)・1.25
[式21]
(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・0.75≦TSEX_HC≦(SEX_C1・RC1+SEX_C2・RC2)・1.25
[式22]
(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・0.85≦TVT_HC≦(VT_C1・RC1+VT_C2・RC2)・1.15
[式23]
(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・0.85≦TVMICRO_HC≦(VMICRO_C1・RC1+VMICRO_C2・RC2)・1.15
[式24]
(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・0.85≦TVMESO_HC≦(VMESO_C1・RC1+VMESO_C2・RC2)・1.15
TSBET_HCは前記目標BET表面積であり、
SBET_C1は前記第1BET表面積であり、
SBET_C2は前記第2BET表面積であり、
RC1は前記混合触媒の重量に対する前記第1触媒の重量の比であり、
RC2は前記混合触媒の重量に対する前記第2触媒の重量の比(すなわち、RC2=1-RC1)であり、
TSMICRO_HCは前記目標マイクロ細孔表面積であり、
SMICRO_C1は前記第1触媒のマイクロ細孔表面積であり、
SMICRO_C2は前記第2触媒のマイクロ細孔表面積であり、
TSEX_HCは前記目標外表面積であり、
SEX_C1は前記第1触媒の外表面積であり、
SEX_C2は前記第2触媒の外表面積であり、
TVT_HCは前記目標全細孔容積であり、
VT_C1は前記第1全細孔容積であり、
VT_C2は前記第2全細孔容積であり、
TVMICRO_HCは前記目標マイクロ細孔容積であり、
VMICRO_C1は前記第1触媒のマイクロ細孔容積であり、
VMICRO_C2は前記第2触媒のマイクロ細孔容積であり、
TVMESO_HCは前記目標メソ細孔容積であり、
VMESO_C1は前記第1触媒のメソ細孔容積であり、
VMESO_C2は前記第2触媒のメソ細孔容積である。 - 前記第4段階で得られる混合物は固相(solid phase)である、
請求項1に記載の混合触媒の製造方法。 - 前記第1及び第2担体は、球形、多面形、線形、チューブ形、及び平面形からなる群から選択されるいずれか一形態を有し、
前記第1担体の形態は前記第2担体の形態と同一である、
請求項1に記載の混合触媒の製造方法。 - 前記第1及び第2触媒金属粒子のそれぞれは白金または白金系合金を含む、
請求項1に記載の混合触媒の製造方法。 - 前記第1及び第2触媒金属粒子は同じ物質である、
請求項4に記載の混合触媒の製造方法。 - 高分子電解質膜上に電極を形成する方法であって、
請求項1に記載の方法によって製造された前記混合触媒をアイオノマーとともに分散媒に分散させて電極スラリーを準備する段階と、
前記電極スラリーを基材(substrate)上にコートする段階と、
前記コーティングされた電極スラリーを乾燥させる段階と、
を含む、
電極形成方法。 - 前記基材は離型フィルムであり、
前記電極形成方法は、
前記乾燥段階で前記離型フィルム上に形成された電極を前記高分子電解質膜上に転写(transfer)する段階と、
前記離型フィルムを除去する段階と、
をさらに含む、
請求項6に記載の電極形成方法。 - 前記基材は前記高分子電解質膜である、
請求項6に記載の電極形成方法。
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